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Die
Erfindung betrifft eine Streulichtmessvorrichtung zur Prüfung technischer
Oberflächen.
Bei Streulichtmessvorrichtungen dieser Art wird eine Teilfläche der
zu prüfenden
technischen Oberfläche
unter einem schrägen
Winkel mit Beleuchtungslicht beaufschlagt. Das von der Teilfläche gestreute
Licht fällt z.
B. auf einen Schirm, mit dem das gestreute Licht winkelaufgelöst registriert
werden kann. Diese winkelaufgelöste
Streulichtmessung (ARS) ist ein hinlänglich bekanntes Prinzip.
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Es
ist im Stand der Technik bekannt, technische Oberflächen mittels
Streulichtmessungen zu prüfen.
Es wird dazu die zu prüfende
Oberfläche schräg mit Beleuchtungslicht
beaufschlagt und das reflektierte Licht detektiert und ausgewertet.
Einen solchen Stand der Technik zeigt zum Beispiel die
DE 198 24 623 A1 , die eine
Vorrichtung zur Wafer-Prüfung
offenbart.
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Aus
der
DE 44 08 226 A1 ist
eine Streulichtmessvorrichtung zur Prüfung technischer Oberflächen anhand
von an der Oberfläche
gestreutem Licht bekannt. Diese Messvorrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung
zur Beleuchtung der zu untersuchenden technischen Oberfläche auf,
wobei die Beleuchtungseinrichtung ausgeführt ist zur parallelen Beleuchtung
einer Teilfläche
der Oberfläche
unter einem bestimmten Einfallswinkel. Die Vorrichtung weist weiterhin
auf eine Erfassungseinrichtung zur winkelaufgelösten Erfassung des sich aus
der Steuung des Beleuchtungslichtes an der Teilfläche ergebenden
Streubildes, so dass sich ein optischer Weg von der Beleuchtungseinrichtung über die
Oberfläche
bis zur Erfassungseinrichtung ergibt.
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Auch
aus der
US 2002/0005946
A1 ist eine Streulichtmessvorrichtung zur Prüfung technischer Oberflächen, in
diesen Fall von Wafer-Oberflächen, anhand
von an der Oberfläche
gestreutem Licht bekannt. Auch diese Vorrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung
zur Beleuchtung der zu untersuchenden technischen Oberfläche auf,
wobei die Beleuchtungseinrichtung ausgeführt ist zur quasi-parallelen Beleuchtung
einer Teilfläche
der Oberfläche
unter einem bestimmten Einfallswinkel. Mit einer Erfassungseinrichtung
zur winkelaufgelösten
Erfassung des sich aus der Streuung des Beleuchtungslichtes an der
Teilfläche
ergebenden Streubildes ergibt sich ein optischer Weg von der Beleuchtungseinrichtung über die
Oberfläche
bis zur Erfassungseinrichtung, wobei im optischen Weg zwischen Beleuchtungseinrichtung
und beleuchteter Oberfläche
eine Zylinderlinse so angeordnet ist, dass die Längsachse der gekrümmt geformten
optischen Fläche
quer zur Beleuchtungsrichtung steht.
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Die
DE 10 2005 007 715
B4 zeigt eine Streulichtmessvorrichtung zur Prüfung technischer
Oberflächen
anhand von an der Oberfläche
gestreutem Licht. Die Vorrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung
zur Beleuchtung der zu untersuchenden technischen Oberfläche auf,
wobei die Beleuchtungseinrichtung ausgeführt ist zur quasi-parallelen Beleuchtung
einer Teilfläche
der Oberfläche
unter einem bestimmen Einfallswinkel. Weiterhin ist eine Erfassungseinrichtung
zur winkelaufgelösten
Erfassung des sich aus der Streuung des Beleuchtungslichtes an der
Teilfläche
ergebenden Streubildes vorgesehen, so dass sich ein optischer Weg
von der Beleuchtungseinrichtung über
die Oberfläche
bis zur Erfassungseinrichtung ergibt, wobei im optischen Weg zwischen
Beleuchtungseinrichtung und beleuchteter Oberfläche eine Zylinderlinse so angeordnet
ist, dass die Längsachse
der gekrümmt
geformten optischen Fläche
quer zur Beleuchtungsrichtung steht.
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Aus
der
DE 198 49 793
C1 ist eine Streulichtmessvorrichtung zur Prüfung gewölbter technischer Oberflächen anhand
von an der Oberfläche
gestreutem Licht bekannt. Die Vorrichtung besitzt eine Beleuchtungseinrichtung
zur Beleuchtung der zu untersuchenden technischen Oberfläche, wobei
die Beleuchtungseinrichtung ausgeführt ist zur quasi-parallelen
Beleuchtung einer Teilfläche
der Oberfläche
unter einem bestimmten Einfallswinkel. Eine Erfassungseinrichtung
erfasst winkelaufgelöst
das sich aus der Streuung des Beleuchtungslichtes an der Teilfläche ergebende
Streubild, so dass sich ein optischer Weg von der Beleuchtungseinrichtung über die Oberfläche bis
zur Erfassungseinrichtung ergibt, wobei im optischen Weg zwischen
Beleuchtungseinrichtung und beleuchteter Oberfläche eine Zylinderlinse so angeordnet
ist, dass die Längsachse
der gekrümmt
geformten optischen Fläche
quer zur Beleuchtungsrichtung steht.
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Schließlich ist
aus der
DE 37 14 305
C2 eine Streulichtmessvorrichtung zur Prüfung technischer Oberflächen anhand
von an der Oberfläche
gestreutem Licht bekannt, die eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung
der zu untersuchenden technischen Oberfläche aufweist, wobei die Beleuchtungseinrichtung
ausgeführt
ist zur quasi-parallelen Beleuchtung einer Teilfläche der
Oberfläche
unter einem bestimmten Einfallswinkel. Weiterhin ist eine Erfassungseinrichtung
zur winkelaufgelösten
Erfassung des sich aus der Streuung des Beleuchtungslichtes an der Teilfläche ergebenden
Streubildes vorgesehen, so dass sich ein optischer Weg von der Beleuchtungseinrichtung über die
Oberfläche
bis zur Erfassungseinrichtung ergibt, wobei im optischen Weg zwischen Beleuchtungseinrichtung
und beleuchteter Oberfläche
zwei Zylinderlinsen so angeordnet sind, dass die Längsachsen
der gekrümmt
geformten optischen Flächen
quer zur Beleuchtungsrichtung stehen.
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Im
Stand der Technik sind verschiedenste Beleuchtungslichtquellen bekannt,
auch in unterschiedlichen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Art der Beleuchtungsquelle
nicht erfindungswesentlich. Daher umfasst der verwendete Begriff
der Beleuchtungseinrichtung alle erdenklichen Beleuchtungsquellen
des Standes der Technik, wie z. B. Laser, Laserdioden, Schwarze
Strahler, UV-Lampen, LED's, etc.,
und ggf. auch die für
die Abbildung der Beleuchtungsquelle auf die zu untersuchende Oberfläche verwendeten
Abbildungsmittel wie z. B. Linsen, Spiegel, Blenden. Auch der Begriff
der Erfassungseinrichtung bezeichnet sämtliche im Stand der Technik
bekannten Sensoren, Detektoren, Bildchips, Diodenarrays, etc., auf
die bei im Stand der Technik bekannten Streulichtmessvorrichtungen
Streubilder abgebildet werden. Auch die Art der Erfassungseinrichtung
ist nämlich
für die
vorliegende Erfindung ohne Bedeutung.
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Problematisch
bei diesem Stand der Technik und bei der herkömmlichen ARS insgesamt ist
allerdings, dass implizit immer davon ausgegangen wird, dass der
beleuchtete Teilbereich der zu prüfenden Oberfläche makroskopisch
eben ist, also zumindest im beleuchteten Bereich eben ist, so dass
die mikroskopische Rauheit der beleuchteten Teilfläche die
zu beobachtende Lichtstreuung bewirkt. Wenn allerdings zusätzlich zu
der mikroskopischen Rauheit eine makroskopische Unebenheit hinzukommt,
kann der Einfluss der Rauheit nicht von dem Einfluss der Unebenheit
im zu beobachtenden Streubild unterschieden werden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil des
Standes der Technik zu beheben. Die erfindungsgemäße Lösung ist
in Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird in
den optischen Weg zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der zu untersuchenden
technischen Oberfläche
eine Zylinderlinse so angeordnet, daß die Längsachse der gekrümmt geformten
optischen Linsenfläche
quer zur Beleuchtungsrichtung steht, wobei die Linse in ihrem Abstand
zur Oberfläche
verschiebbar und relativ zur Oberfläche um die Beleuchtungsrichtung
drehbar gehalten ist. Der Begriff der Zylinderlinse wird hier in
einer erweiterten Bedeutung benutzt und umfasst sämtliche
Linsen, die in einer Richtung homogen sind und in der senkrecht
dazu stehenden Richtung gekrümmt
sind. Die optische Linsenfläche
kann also als Spezialfall die Form einer zylindrischen Fläche haben,
sie kann aber auch davon abweichen und eine asphärische Krümmung haben, z. B. eine parabolische
oder elliptische Krümmung.
Weiterhin sind sowohl konkave als auch konvexe Linsenformen möglich.
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Die
in dieser Anmeldung als Zylinderlinsen bezeichneten Linsen zeichnen
sich dadurch aus, daß sie
eine sphärische
oder asphärische
Fläche
besitzen, die nur in einer Richtung gekrümmt verläuft, nämlich senkrecht zur Längsachse
der Linse. Die optische Fläche
einer Zylinderlinse kann z. B. als Spezialfall die Form einer Zylinderoberfläche haben,
sie kann auch die Form eines langgestreckten Körpers mit elliptischem, parabolischem
oder einem anderen asphärischem
Querschnitt haben. Da alle diese Zylinderlinsen in einer Richtung
homogen sind, wird durch diese Linsen hindurchtretendes Licht nur
in einer Richtung abgelenkt, und punktförmige Objekte werden linienförmig abgebildet.
Ein entscheidender Vorteil der Erfindung ist, daß mit der Zylinderlinse Wölbungen
oder auch Senkungen zumindest in einer Richtung kompensiert werden
können.
Durch die Verschiebbarkeit und die dadurch erreichte Variabilität des Abstandes
von Zylinderlinse und technischer Oberfläche kann ein Krümmungsbereich
der makroskopischen Unebenheiten abgedeckt werden, während eine
feststehende Zylinderlinse nur einen bestimmten Krümmungsradius
einer Wölbung
bzw. Senke zu kompensieren vermag. Die Drehbarkeit der Zylinderlinse
wiederum erlaubt in unterschiedliche Richtungen verlaufende Unebenheiten
auszugleichen. Mit den vorgenannten Ei genschaften lassen sich viele
Unebenheiten schon hervorragend kompensieren, wenigstens teilweise.
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Mit
Vorteil ist nach Anspruch 2 eine zweite Zylinderlinse so im optischen
Weg angeordnet, insbesondere zwischen Beleuchtungseinrichtung und Oberfläche, dass
die Längsachse
ihrer gekrümmt
geformten optischen Fläche
quer zur Beleuchtungsrichtung steht. Es lassen sich dadurch auch
komplexere Unebenheiten kompensieren, insbesondere wenn die vorteilhaften
Merkmale des Anspruchs 3 verwirklicht werden. Da danach die zweite
Zylinderlinse verschiebbar und drehbar ist, können auch in 2 Richtungen gekrümmte Unebenheiten
kompensiert werden, also z. B. kugelförmige oder elliptische Unebenheiten.
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Die
Bandbreite der kompensierbaren Unebenheiten ist umso größer, je
mehr Freiheitsgrade bei der Positionierung und Orientierung der
Zylinderlinsen besteht. Deshalb werden mit Vorteil die Merkmale
des Anspruchs 4 vorgesehen.
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Die
große
Zahl von Freiheitsgraden hat aber auch den Nachteil, dass die Suche
nach der optimalen Einstellung der Linsenpositionen und -orientierungen
sehr zeitaufwendig sein kann. Ohne großen Wirkungsverlust werden
daher die Merkmale des Anspruchs 5 vorgesehen, so daß beiden
Zylinderlinsen bei konstanter Orientierung zueinander relativ zur technischen
Oberfläche
drehbar sind.
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Um
eine automatisiert arbeitende Vorrichtung zu erhalten, sind mit
Vorteil die Merkmale des Anspruchs 6 vorgesehen. Die Linsen werden
motor- oder aktorgetrieben bewegt, und diese die Linsen bewegenden
Motoren können
z. B. gesteuert sein in der Art eines Autofokus. Beispielsweise
kann der Kontrastverlauf des Streubildes bei Änderung der Zylinderlinsenstellung
verfolgt werden. Ohne makroskopische Unebenheiten scharf erscheinende
Streupunkte des Streubildes werden durch eine makroskopische Unebenheit ”verschmiert”. Je besser
die Kompensation gelingt, je besser also die Zylinderlinsen sich
einer optimalen Position nähern,
desto schärfer werden
auch wieder die Streureflexe werden.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung des Grundprinzips der winkelaufgelösten Streulichtmessung;
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2a, 2b eine
prinzipienhafte Darstellung des der Erfindung zugrunde liegenden
Problems;
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3 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Streulichtmessvorrichtung;
und
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4 eine
Anordnung zweier Zylinderlinsen nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Streulichtmessvorrichtung 1 mit
einer Beleuchtungseinrichtung 2, die Beleuchtungslicht 3 unter
einem schrägen
Winkel α auf
eine zu untersuchende Oberfläche 4 abstrahlt.
Das Licht 3 trifft quasi-parallel auf eine Teilfläche 4' dieser Oberfläche 4 und
wird von dort in Richtung auf einen Schirm 5 reflektiert,
wo sich ein Streubild 6 ergibt. Dabei wird das Beleuchtungslicht 3 z.
B. so auf die Oberfläche 4 abgebildet, dass
der Fokuspunkt hinter der streuenden Oberfläche 4 liegt.
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Im
gezeigten Beispiel ist die zu untersuchende Oberfläche 4 beschreibbar
durch eine eindimensionale Oberflächenfunktion in x-Richtung;
in y-Richtung der Oberfläche 4 ist
deren Höhenverlauf
konstant. Solche Oberflächen
ergeben sich zum Beispiel aufgrund von Bearbeitungsspuren in Form
von Riefen in technischen Oberflächen.
Das Streubild 6 wird dabei vereinfachend mittels eines
weit entfernten Schirmes 5 aufgefangen.
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Das
bei der gegebenen Oberfläche 4 zu
erwartende Streubild 6 weicht gegenüber einem einzelnen schmalen
Reflex bei einer idealen, spiegelglatten Oberfläche aufgrund der Höhenunterschiede
in x-Richtung ab und wird im vorliegenden einfachen Fall senkrecht
zur y-Richtung aufgespreizt. Das Streubild 6 enthält Informationen über die
Oberflächenfunktion.
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Wird
zum Beispiel auf die in 1 schematisch dargestellte Art
und Weise eine zylindrisch gebogene Oberfläche 40 mit Bearbeitungsspuren 8 untersucht,
wobei die Symmetrieachse der zylindrisch gebogenen Oberfläche mit
der y-Achse zusammenfällt,
so wird sich ebenfalls ein senkrecht zur y-Richtung aufgespreiztes
Streubild 6 ergeben, wie dies in 2a zu
entnehmen ist. Zusätzlich
sind die ursprünglich
scharfen Reflexpunkte verbreitert bzw. verschmiert.
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Ein
ganz ähnliches
Streubild 6 ergibt sich jedoch auch für eine hochglanzpolierte Oberfläche 400 mit
zylindrischer Krümmung
(siehe 2b), da die Oberfläche 400 als
zylindrischer Spiegel wirkt. Entsprechend ergibt sich ein Streubild 6,
das dem der 2a entspricht, ohne dass die
Wirkung der makroskopischen zylindrischen Krümmung von der der mikroskopischen
Rauheit unterscheidbar wäre.
Dieses Problem lässt
sich auf beliebige Oberflächen
verallgemeinern, die mikroskopisch rauh sind und die makroskopisch
uneben sind, zumindest in Teilbereichen der Oberfläche.
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Eine
Trennung der Wirkung der makroskopischen Unebenheit von der Wirkung
der mikroskopischen Rauheit kann mit der Vorrichtung gemäß 3 erreicht werden.
Es ist dazu im Beleuchtungsstrahlengang eine Zylinderlinse 10 angeordnet,
hier eine plankonvexe, wobei die Längsachse 16 der zylindrischen
optischen Linsenfläche 17 quer
zur Beleuchtungsrichtung 11 steht. Diese Linse 10 ist
in einer nicht dargestellten Halterung angeordnet, die in axialer
Richtung verschiebbar ist, so dass der Abstand zwischen Zylinderlinse 10 und
zu untersuchender technischer Oberfläche 4 einstellbar
ist. Weiterhin ist die Zylinderlinse 10 drehbar angeordnet.
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In
den hier gezeigten Beispielen sind die Zylinderlinse 10 und
auch die später
in 4 erläuterten
Linsen 14 und 15, tatsächlich Zylinderlinsen im engeren
Sinn, nämlich
solche mit einer zylindrisch geformten optischen Fläche 17.
Diese Zylinderlinsen im engeren Sinne werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit
der Erfindung als bevorzugte Ausführungsvariante angesehen.
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Gegenüber der
Zylinderlinse 10 der 3 zeigt 4 eine
zusätzliche
zweite Zylinderlinse 15, die ebenfalls in einer Halterung
angeordnet ist, die zur Vereinfachung nicht dargestellt ist. Beide
Linsen 14, 15 können auch in einer gemeinsamen
Halterung angeordnet sein. Die Zylinderlinse 10 der 3 war plankonvex
ausgeführt,
während
die beiden Zylinderlinsen 14, 15 der 4 jeweils
plankonkav ausgeführt
sind, ohne dass dies eine Beschränkung
darstellen soll. Mit plankonvexen Linsen 10 lassen sich zur
Linse gewölbte
Oberflächenunebenheiten
besser kompensieren, mit plankonkaven Linsen 14, 15 lassen
sich von der Linse weg gewölbte
Oberflächenunebenheiten
besser kompensieren. Es kann im Rahmen der Erfindung auch eine konvexe 10 und
eine konkave Zylinderlinse 14, 15 zusammen verwendet werden.
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In
der in 4 gezeigten Ausführungsform sind beide Zylinderlinsen 14, 15 unabhängig voneinander
in ihrem Abstand zur beobachtenden technischen Oberfläche 4 verstellbar
sowie unabhängig voneinander
gegenüber
der technischen Oberfläche 4 verdrehbar.
In alternativen Ausführungsformen können die
beiden Zylinderlinsen 14, 15 auch in eine Halterung
aufgenommen und dann gemeinsam axial verschoben werden. Es kann
weiterhin vorgesehen werden, dass die Linsen 14, 15 gegeneinander
verdreht werden können.
Sie könnten
aber auch zum Beispiel 90° zueinander
verdreht stehen und unter Beibehaltung dieser relativen Position
zusammen gegenüber
der zu untersuchenden Oberfläche 4 verdrehbar
im Halter aufgenommen sein.